TAPPDF.COM PDF DOWNLOAD MEDIA MESIN JOURNALUMS UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA PB

PRAKATA

Assalamu’alaikum Warohmatullahi Waborakatuh

Ba’da salam, alhamdulillahhirobbil’alamiin puji syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan taufik dan hidayah-Nya sehingga Jurnal Media Mesin Nomor 18 Volume 2, Juli 2017 ini bisa diselesaikan dan diterbitkan. Penerbit berharap Jurnal Media Mesin dapat terus

berkembang dan menjadi rujukan keilmuan di bidang Teknik Mesin di Indonesia. Pada terbitan ini disajikan 6 tulisan yang merata pada bidang konstruksi mesin dan bahan dan bidang konversi energi. Penerbit mengucapkan terima kasih banyak kepada penulis baik dari dalam maupun dari luar Jurusan Teknik Mesin UMS yang telah berkenan menerbitkan jurnal ilmiahnya di jurnal ini. Semoga ke depannya semakin banyak penerbitan artikel-artikel dari luar Jurusan Teknik Mesin UMS.

Sebagai penutup, semoga jurnal edisi ini dapat bermanfaat dan menjadi informasi atau rujukan keilmuan di Bidang Teknik Mesin. Penerbit tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu sehingga jurnal ini dapat diterbitkan.

Wassalamu’alaikum Warohmatullohi Wabarokatuh

Surakarta, Juli 2017

Redaksi

ii

Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017...(Kata Pengantar)

REKAYASA DAN MANUFAKTUR KOMPOSIT SANDWICH HIBRID UNTUK PANEL

Agus Hariyanto

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartosura Email: agus.hariyanto @ums.ac.id

ABSTRAK

Tujuan penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh fraksi volume core terhadap peningkatan kekuatan Impak komposit sandwich hibrid berpenguat kombinasi serat rami woven dan serat gelas woven bermatrix polyester dengan core berpenguat kombinasi serbuk kayu jati dan mahoni bermatrix polyester. Mekanisme perpatahan diamati dengan foto makro. Bahan yang digunakan untuk skin adalah serat rami (woven), serat E-Glass (woven), resin unsaturated polyester 157 BQTN (UPRs). Bahan yang digunakan untuk core adalah serbuk kayu jati dan mahoni dengan mesh 30 pada fraksi volume 30%, 40%, dan 50%, resin unsaturated polyester 157 BQTN. Hardener yang digunakan adalah MEKPO dengan konsentrasi 1%. Komposit dibuat dengan metode cetak tekan. Komposit sandwich hibrid tersusun terdiri dari dua skin komposit hibrid dengan core hibrid ditengahnya. Skin komposit hibrid sebagai lamina terdiri dari dua lamina serat gelas anyam dan satu lamina serat rami (woven - woven – woven). Fraksi volume serat komposit skin hibrid adalah 30%. Komposit core hibrid yang digunakan adalah serbuk kayu jati dan mahoni dengan mesh 30 pada fraksi volume 30%, 40%, dan 50% dengan resin unsaturated polyester 157 BQTN. Variabel utama penelitian yaitu fraksi volume core (30%, 40%, dan 50%). Spesimen dan prosedur pengujian Impak mengacu pada standard ASTM D 5942. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan fraksi volume core mampu meningkatkan energi serap dan kekuatan impak komposit sandwich hibrid. Mekanisme patahan diawali oleh kegagalan komposit skin bagian tarik, core gagal geser, dan diakhiri oleh kegagalan skin sisi tekan. Pada bagian daerah batas core dan komposit skin menunjukkan adanya kegagalan delaminasi.

Kata Kunci: komposit sandwich hibrid, kekuatan impak, fraksi volume, mekanisme patahan.

ABSTRACT

The objective of this research is to investigate the effect of core’s volume fraction to the increment of impact strengthness of sandwich hybrid composite reinforced with the combination of ramie fiber and polyester matrixed woven glass fiber with the core reinforced with the combination of teakwood powder and polyester matrixed mahony. The fracture mechanism is observed with macro photo. Materials that are utilized for skin are ramie fiber (woven), fiber E-Glass (woven), and 157 BQTN unsaturated polyester resin (UPRs). Materials that are utilized for core are teakwood and mahony powder with 30 meshes on 30%, 40%, and 50% volume fraction

Rekayasa dan Manufaktur Komposit...(Agus Hariyanto) Rekayasa dan Manufaktur Komposit...(Agus Hariyanto)

composite consists of two skins hybrid composite with hybrid core between them. Hybrid composite skin as lamina consists of two lamina of glass fiber woven and one lamina ramie fiber (woven- woven – woven). Volume fraction of hybrid composite skin

is 30%. Hybrid cores composite which are used are teakwood and mahony powder with

30 meshes 30%, 40%, and 50% volume fraction of 157 BQTN unsaturated polyester resin. The main variable of this experiment is the volume fraction of the core (30%, 40%, and 50%). Specimen and impact examination procedure reffer on ASTM D 5942 standard. The results show that the increment of the volume fraction of the core can increase absorb energy and impact strengness of sandwich hybrid composite. The fracture mechanism was started by the failure of the tensile part of composite’s skin, followed by shear failure of the core, and ended up by the failure of compression side of the skin. On the boundary region between core and skin pointed out that there was delamination failure.

Keyword: sandwich hybrid composite, impact strength, volume fraction, fracture mechanism.

PENDAHULUAN

Munculnya issue permasalah limbah non -organik serat sintetis yang semakin bertambah mampu mendorong perubahan trend teknologi komposit menuju natural composite yang ramah lingkungan. Serat alam mencoba menggeser serat sintetis, seperti E-Glass, Kevlar-49, Carbon/Graphite, Silicone carbide, Aluminium Oxide, dan Boron. Salah satu jenis serat alam yang tersedia secara melimpah adalah serat rami. Keuntungan penggunaan komposit antara lain ringan, tahan korosi, tahan air, performance -nya menarik, dan tanpa proses pemesinan. Beban konstruksi juga menjadi lebih ringan. Harga produk komponen yang dibuat dari komposit glass fibre reinforced polyester (GFRP) dapat turun hingga 60%, dibanding produk logam (Abdullah dan Handiko, 2000). Komposit sandwich hibrid merupakan salah satu jenis komposit struktur yang sangat potensial untuk dikembangkan. Komposit ini terdiri dari flat hibrid komposit dan core hibrid. Core yang biasa dipakai adalah core import, seperti polyuretan (PU), polyvynil Clorida (PVC), dan honeycomb.

Ketersediaan serbuk kayu jati dan mahoni yang berlimpah, merupakan SDA yang dapat direkayasa menjadi produk teknologi andalan nasional sebagai core hibrid komposit sandwich hibrid. Rekayasa core hibrid dapat dilakukan dari kayu utuh ataupun limbah

serbuk/potongan kayu. Konsep rekayasa core hibrid ini merupakan tahapan alih teknologi yang diilhami oleh masuknya core impor kayu balsa dari Australia. Sifat fisik serbuk kayu jati dan mahoni hampir sama dengan kayu balsa.

Berdasarkan uraian tersebut, maka penelitian tentang rekayasa komposit sandwich hibrid dengan core hibrid limbah serbuk kayu jati dan mahoni merupakan kajian yang sangat menarik untuk diteliti lebih lanjut. Berhubung mayoritas beban yang diterima berbagai panel komposit sandwich hibrid adalah bending, maka kajian mekanis yang dipandang sangat penting dilakukan adalah kajian kekuatan bending.

TINJAUAN PUSTAKA

Hariyanto meneliti pengaruh ketebalan core dan perlakuan alkali serat kenaf terhadap peningkatan kekuatan bending komposit hybrid sandwich kombinasi serat kenaf dan serat

56 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 55-63 56 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 55-63

2 jam) dan tebal core (5, 10, 15, 20 mm). Komposit dibuat dengan metode cetak tekan. Fraksi volume serat komposit adalah 30%. Pengujian komposit sesuai dengan standar ASTM yang digunakan pengujian bending yang mengacu pada standar ASTM C 393-00. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan ketebalan core mampu meningkatkan kekuatan bending dan momen bending komposit hybrid sandwich. Perlakuan alkali pada serat kenaf menurunkan kekuatan bending pada komposit hybrid sandwich. Mekanisme patahan diawali oleh kegagalan komposit skin bagian tarik, core gagal geser, dan diakhiri oleh kegagalan skin sisi tekan. Pada bagian daerah batas core dan komposit skin menunjukkan adanya kegagalan delaminasi.

Sifat Mekanis Komposit Sandwich

Wahyanto dan Diharjo menyimpulkan bahwa komposit sandwich serat gelas acak 300 gr/m 2 pada V f = 30% bermatrik polyester dengan core kayu sengon laut setebal 10 mm memiliki kekuatan bending dan impak 125,44 MPa dan 0,045 Mpa [2]. Menurut Febrianto dan Diharjo pada komposit hibrid sandwich serat E–glass

acak 300 gr/m 2 dan kenaf anyam 810 gr/m 2 pada V

f = 30% bermatrik polyester dengan core kayu sengon laut setebal 10 mm, kekuatan bending dengan core arah serat kayu horisontal adalah 263,28 MPa, lebih besar

81% di atas komposit sandwich hibrid dengan core kayu vertikal 97,5 Mpa [3]. Kekuatan impak komposit sandwich dengan core

vertikal 0,0604 J/mm 2 , lebih besar 4,4% di atas kekuatan impak dengan core

arah serat kayu horisontal 0,0578 J/mm 2 .

Aspek Geometri

Menurut Gibson penempatan serat harus mempertimbangkan geometri serat, arah, distribusi, dan fraksi volume, agar dihasilkan komposit berkekuatan tinggi [4]. Untuk

suatu lamina unidirectional, dengan serat kontinu dengan jarak antar serat yang sama, dan direkatkan secara baik oleh matrik, seperti ditunjukkan pada gambar 1. Fraksi volume dapat dihitung dengan menggunakan persamaan [5]:

Gambar 1 Struktur mikro komposit dengan peletakan serat teratur [4].

Rekayasa dan Manufaktur Komposit...(Agus Hariyanto)

V 1 1 = W 1 + W 2 (1) r

r 1 V 1 + r 2 V 2 + ......

dengan catatan :

V 1 ,V 2 , … = fraksi volume, (%) W 1 ,W 2 , …= fraksi berat, (%) r 3

1 , r 2 ,… . = densitas bahan pembentuk, (gr/Cm ) Kekuatan komposit dapat ditentukan dengan persamaan [5]: s C = s f V f + s m V m (3)

Kekuatan Impak Komposit Sandwich

Pada umumnya, material komposit mempunyai nilai impak dan energi serap. Akibat pengujian impak, pada bagian sisi kanan spesimen mengalami tekanan, dan bagian sisi kiri mengalami tarikan. Kegagalan yang terjadi akibat uji impak komposit yaitu mengalami patah pada bagian sisi kiri karena tidak mampu menahan tegangan tarik. Kekuatan impak komposit dapat ditentukan dengan persamaan (4) [6]:

cU = × 10 =

Energi serap dapat ditentukan dengan persamaan (5) [6]: W=GxR(cos b -cosa)

Mode Kegagalan Impak Komposit Sandwich

Hillger mengemukakan bahwa ada beberapa macam tipe kerusakan pada pengujian impak yang dapat dideteksi seperti: retak, delaminasi pada skin, debonding antara skin dan core, serta kerusakan di dalam core [7]. Luas kerusakan impak pada struktur sandwich dipengaruhi oleh material core dari tumpukan laminasi permukaan sandwich, ukuran, massa, kecepatan pendulum dan kemampuan dari komponen sandwich untuk menyerap beban kejut. Pada struktur sandwich dengan core, delaminasi dapat dideteksi pada daerah terimpak yang berada di antara skin dan core. M acam-macam kerusakan akibat beban impak ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2 Kerusakan pada struktur sandwich akibat beban impak [7]

58 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 55-63

METODOLOGI PENELITIAN Bahan dan Alat Penelitian

Bahan utama penelitian adalah serat rami (woven) dengan density 3 1.6 gr/m , serat E-Glass (woven)dengan density

450 gr/m 2 , bahan core serbuk kayu jati dan mahoni pada

3 mesh 3 30 dengan density 0.68 gr/m dan 0.62 gr/m , unsaturated poliester type 157 BQTN, dan hardener MEKPO dengan kadar 1%. Peralatan yang digunakan adalah Mesin uji impak

Charpy, timbangan untuk menentukan fraksi volume serat foto makro, oven pengering, press mold.

Pembuatan Spesimen Uji

Spesimen uji komposit sandwich hibrid dibuat dengan metode press mold. Fraksi volume serat lamina komposit hibrid/ skin bagian ditentukan 30%, yang dikontrol dengan ketebalan komposit sandwich hibrid saat pencetakan. Komposit sandwich hibrid tersusun dari dua skin komposit hibrid dengan core hibrid serbuk kayu jati dan mahoni di bagian tengahnya. Lamina komposit hibrid tersusun dari 2 lamina serat E-glass woven dan 1 lamina serat rami woven. Posisi serat E-glass ditempatkan pada sisi terluar yang menerima beban lebih berat. Serat rami yang digunakan terdiri dari serat tanpa perlakuan. Core hibrid serbuk kayu jati dan mahoni dibuat dengan metode press mold. Fraksi volume core divariasi 30%, 40%, dan 50% ditunjukkan seperti pada gambar 3.

GFRP 3 layer, skin

Core serbuk kayu jati dan mahoni

GFRP 3 Layer, skin

Gambar 3. Komposit sandwich hibrid [8]

Agar hasil penelitian lebih komprehensif, maka komponen penyusun komposit sandwich hibrid juga dilakukan uji impak. Pembuatan spesimen ini dilakukan tersendiri dengan mengacu standar ASTM D 5942 (untuk impak komposit sandwich).

Metode Pengujian Spesimen Uji

Berhubung aplikasi komposit sandwich hibrid adalah untuk panelling/kereta api, bis, maka pengujian yang penting dilakukan adalah uji impak. Pengujian impak dilakukan menurut standar ASTM D 5942. ditunjukkan pada gambar 4 dan 5 untuk Pemasangan spesimen uji impak ( flat wise impact) dan spesimen uji impak charpy.

Spesimen

Span =L L Total

Pendulum

Support

Gambar 4. Pemasangan spesimen uji impak ( Flat wise Impact )

Rekayasa dan Manufaktur Komposit...(Agus Hariyanto)

L total

Gambar 5. Spesimen uji impak Charpy

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Analisis Kekuatan Impak

Tabel 1 Tabel 2 Energi serap komposit sandwich hibrid

Kekuatan impak komposit sandwich hibrit Fraksi Volume

Energi Serap

Fraksi Volume Kekuatan Impak

a (%) 2 (%) cu (J/mm )

W(Joule)

50 8.12 50 0.068 Komposit sandwich hibrid yang diperkuat serat rami dan E-Glass tanpa perlakuan

mampu menyerap energi yang lebih tinggi, seperti ditunjukkan pada tabel 1. Energe serap meningkat seiring dengan penambahan fraksi volume core, seperti ditunjukkan pada gambar

6. Dengan demikian, penambahan bagian inti struktur sandwich hibrid menunjukkan secara signifikan peningkatan kemampuan menyerap energi. Sifat material yang lebih lunak (core

hibrid serbuk kayu jati dan mahoni) dan penambahan fraksi volume menyebabkan memiliki kemampuan menyerap energi yang lebih tinggi.

Bila ditinjau dari segi kekuatan impak seperti ditunjukkan pada gambar 7, kekuatan impak komposit sandwich hibrid meningkat secara signifikan seiring dengan penambahan ketebalan core . Kekuatan impak optimum pada fraksi volume core 50 %.

Gambar 6 Kurva energy serap komposit sandwich hibrid.

60 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 55-63

Gambar 7 Kurva kekuatan impak komposit sandwich hibrid.

Berdasarkan analisis yang dihitung dengan standar ASTM D 5942, komposit sandwich hibrid yang diperkuat serat rami dan E-Glass tanpa perlakuan, memiliki kekuatan impak yang lebih tinggi, seperti ditunjukkan pada gambar 7. Hal yang sama menunjukkan bahwa energi serap yang paling optimum terjadi pada komposit sandwich hibrid dengan fraksi volume core 50 %.

Analisis Pola Kegagalan

Gambar 8 Permukaan patah komposit sandwich hibrid pada V f = 30%

Gambar 9. Permukaan patah komposit sandwich hibrid pada V f = 40%

Rekayasa dan Manufaktur Komposit...(Agus Hariyanto)

15mm

Core patah

Gagal tekan

geser pada skin

gagal tarik pada skin delaminasi skin dan core pada ikatan interfacial

Gambar 10. Penampang patahan komposit sandwich hibrid pada V f = 50% Kegagalan impak komposit sandwich hibrid ditunjukkan pada gambar 8, 9, dan 10.

Secara umum, pola kegagalan diawali dengan retakan pada komposit skin yang menderita tegangan tarik. Kemudian, beban impak tersebut didistribusikan pada core sehingga

menyebabkan core mengalami kegagalan. Skin yang semula menderita beban tekan akhirnya mengalami kegagalan seiring dengan gagalnya core . Gambar 10 menunjukkan secara jelas adanya kegagalan tarik pada komposit skin bawah, gagal geser core dan kegagalan tekan pada skin atas. Mekanisme patahan terjadi karena kegagalan komposit sandwich hibrid akibat beban bending berawal dari skin komposit sisi belakang (bawah) dan dilanjutkan dengan kegagalan core, delaminasi skin dan core pada ikatan interfacial.

KESIMPULAN

Berdasarkan data hasil penelitian tersebut maka dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Penambahan fraksi volume core pada 30% hingga 50% pada komposit sandwich hybrid meningkatkan energi serap sebesar 7.81 hingga 8.12 Joule. Harga yang optimum pada fraksi volume core 50% sebesar 8.12 Joule.

2. Penambahan fraksi volume core pada 30% hingga 50% pada komposit sandwich hybrid meningkatkan kekuatan impak sebesar 0.066 menjadi 0.068 Joule/mm 2 . Harga yang

optimum pada fraksi volume core

50 % sebesar 0.068 Joule/mm 2 .

3. Tahapan pola kegagalan komposit sandwich hibrid adalah kegagalan tarik skin komposit sisi bawah, kegagalan geser core, delaminasi skin komposit sisi atas dengan core, kegagalan skin komposit sisi atas.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Hariyanto, A.,. 2006. Studi Perlakuan Alkali dan Tebal Core Terhadap Sifat Bending dan Impak Komposit Hybrid Sandwich Serat Kenaf dan Gelas Bermatrik Polyester dengan Core Kayu Sengon Laut, Tesis. Yogyakarta: Universitas Gajah Mada.

[2] Wahyanto, B, Diharjo, K, 2004, Karakterisasi Uji Bending Dan Impak Komposit Sandwich GRFP dengan Core Kayu Sengon Laut, Skripsi, UNS, Surakarta.

62 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 55-63

[3] Febrianto, B, Diharjo, K, 2004, Kekuatan Bending dan Impak Komposit Hibrid Sandwich Kombinasi Serat Karung Goni dan Serat Gelas Polyester dengan Core Kayu Sengon Laut, Skripsi, UNS, Surakarta.

[4] Gibson, O. F., 1994. Principle of Composite Materials Mechanics, McGraw-Hill Inc., New York, USA.

[5] Shackelford, 1992. Introduction to Materials Science for Engineer, Third Edition, MacMillan Publishing Company, New York, USA.

[6] Annual Book of Standards, Section 8, D 5942-96, Standard Test Methods forDetermining Charpy Impact Strength of Plastics, ASTM, 1996.

[7] Hillger, 1998, Inspection of CFRP and GFRP Sandwich Components, Wilhelm Raabe Weg 13, D-3 8110 Braunschweig.

[8] Allen, H.G., 1969, Analisis and design of structural sandwich Panels, Pergamon press. [9] Annual Book of Standards, Section 8, D 790-02, “Standard Test Methods for Flexural

Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials1”, ASTM, 2002.

Rekayasa dan Manufaktur Komposit...(Agus Hariyanto)

ANALISIS SIFAT TARIK DAN IMPAK KOMPOSIT SERAT RAMI DENGAN PERLAKUAN ALKALI DALAM WAKTU 2, 4, 6, DAN 8 JAM BERMATRIK POLIESTER

Pramuko Ilmu Purboputro, Agus Hariyanto

Teknik Mesin Universitas Muhamadiyah Surakarta

Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura Email: pip272@ums.ac.id

ABSTRAK

Ikatan interfacal bonding pada komposit serat alam sangat tergantung dari kekasaran permukaan serat. Permukaan serat dapat ditingkatkan daya ikatan permukaannya dengan cara mencelupkan pada larutan alkali. Pencelupan ini akan mengurangi lapisan lignin yang mengurangi kekuatan ikat pada permukaan serat. Pada penelitian ini proses yang digunakan adalah perlakuan alkali terhadap permukaan serat dengan cara merendam serat rami selama 2,4,6, dan 8 jam. Larutah alkali yang digunakan adalah larutan NaOH dengan konsentrasi 10% pada pelarut air. Serat rami Boehmeria nivea (L) Goud direndam pada larutan NaOH selama 2, 4, 6, dan 8 jam perendaman, untuk menghilangkan zat ligninnya agar kekuatan ikatan permukaan bisa diperbaiki. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian tarik dan pengujian impak. Hasil yang didapat adalah kekuatan tarik terbesar didapat pada perendaman 8 jam yaitu sebesar 41,9 MPa. Modulus young terbesar didapat pada perendaman 2 jam, yaitu 2743,15

Mpa, dan kekuatan impak terbesar adalah 0,0725 Joule/mm 2 terjadi pada perendaman

4 jam.

Kata kunci: komposit serat, kekuatan tarik, kekuatan impak, perendaman alkali ABSTRACT

The interfacial bonding of natural fiber composites are highly dependent on the roughness of the fiber surface. The surface of the fiber can be enhanced its surface bonding power by dipping in an alkaline solution. This dipping will reduce the lignin layer which reduces the binding strength on the fiber surface. In this study, the used process is the alkali treatment of the surface of the fiber by immersing the ramie fiber for 2, 4, 6, and 8 hours. This study used NaOH solution with a concentration of 10% in water solvent as Alkali solution. Ramie fiber Boehmeria nivea (L) Goud is soaked in a solution of NaOH for 2,4,6, and 8 hours of soaking, to remove lignin substances so the surface bond strength can be improved. The performed tests are tensile and impact test. The result is the greatest tensile strength is obtained by 8 hours immersion which is equal to 41.9 MPa. The biggest modulus is obtained by 2 hours immersion

(2743.15 Mpa) and the biggest impact strength was 0.0725 Joule/mm 2 occurred at 4 hours immersion.

Keywords: fiber composite, tensile strength, impact strength, alkali immersion

64 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 64-75

PENDAHULUAN

Penggunaan dan pemanfaatan material komposit sekarang ini semakin berkembang, seiring dengan meningkatnya penggunaan bahan tersebut yang semakin meluas mulai dari yang sederhana seperti alat-alat rumah tangga sampai sektor industri baik industri skala kecil maupun industri skala besar. Komposit mempunyai keunggulan tersendiri dibandingkan dengan bahan teknik alternatif lain seperti kuat, ringan, tahan korosi, ekonomis dan sebagainya.

Tanaman rami yang dikenal dengan nama latinnya Boehmeria nivea (L) Goud merupakan tanaman tahunan berbentuk rumpun yang dapat menghasilkan serat alam nabati dari pita (ribbons) pada kulit kayunya yang sangat keras dan mengkilap. Tanaman rami adalah tanaman tahunan yang berbentuk rumpun mudah tumbuh dan dikembangkan di daerah tropis, tahan terhadap penyakit dan hama, serta dapat mendukung pelestarian lingkungan. Dalam hal tertentu serat rami mempunyai keunggulan dibandingkan serat yang lainnya seperti kekuatan tarik, daya serap terhadap air, tahan terhadap kelembapan dan bakteri, tahan terhadap panas serta peringkat nomor dua setelah sutra dibandingkan serat alam yang lainnya dan lebih ringan dibanding serat sintetis dan ramah lingkungan.

Dari pertimbangan tersebut maka penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan data tentang kemampuan fisis dan mekanis berupa kekuatan tarik, dan kekuatan impact dari serat rami menggunakan matrik polyester dengan perlakuan alkali (NaOH) serta dibuat dengan hand lay up.

Tujuan dari perlakuan alkali adalah untuk menghilangkan lapisan lignin yang ada di permukaan serat. Dengan menghilangkan lapisan lignin pada permukaan diharapkan ikatan permukaan antar permukaan serat rami dengan matriks akan lebih kuat. Pengambilan waktu pencelupan 2, 4, 6, 8 jam adalah suatu pendekatan waktu yang masih bisa direalisasikan, apabila komposit ini benar-benar akan dibuat secara masal. Selain itu pengambilan waktu tersebut adalah dengan konsentrasi 10% NaOH dengan waktu minimal 2 jam akan diperoleh reaksi pada permukaan serat yang cukup.

Berdasarkan latar belakang dan permasalahan di atas, maka perumusan masalah dalam penelitian ini adalah: apakah sifat fisis dan mekanis dari material komposit serat rami dengan matriks polyester, dengan panjang serat yang berbeda-beda dapat dimafaatkan sebagai

bahan teknik nonmetal yang digunakan sebagai bahan alternatif. Proses pembuatan dengan cara hand lay up dengan penekanan secara manual menggunakan kaca sebagai cetakan dan penekanan yang terbuat dari plat besi.

Pengujian komposit yang dilakukan berupa uji kekuatan tarik, uji kekuatan impak, dan foto patahan struktur makro, foto strutur mikro. Hal ini dilakukan karena produk komposit bisa dibuat sebagai partisi, atau meja/bangku atau casing yang sangat relevan terhadap beban impak dan beban tarik-tekan. Struktur makro dan mikro, untuk mengetahui kecenderungan fenomena perpatahan apa yang mungkin terjadi.

TINJAUAN PUSTAKA DAN TEORI

Komposit yang merupakan penggabungan dua atau lebih material secara makro sekarang ini pengunaannya semakin meningkat seiring dengan banyaknya penelitian yang dilakukan untuk memperbanyak variasi dan pemanfaatannya. Tujuan utama adanya penggabungan dalam bidang engineering yaitu hasil dari pengabungan itu harus dapat diaplikasikan untuk mengatasi permasalahan yang berkembang saat ini atau paling tidak harus sesuai dengan kebutuhan perencanaan suatu komponen struktur.

Komposit terdiri dari dua atau lebih material berbeda yang begabung sebagai suatu kombinasi yang menyatu. Jadi, beton bertulang merupakan komposit yang terbuat dari batang baja di dalam suatu matriks beton. Sama halnya, berbagai badan suatu perahu layar dibuat

Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto) Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto)

untuk kompor dapur dan motor roket dengan serat aramid yang disusun dengan cermat sebagai penguat (Lawrence H. Van Vlack) [2]. Pada penelitian kali ini digunakan komposit

berpenguat serat ramiuntuk digunakan sebagai bahan spare part dan perlengkapan balap karena selain kuat dan tahan pecah juga mudah dicari bahan-bahan tersebut.

Ray et al. (2001) melakukan perlakuan serat jute dengan larutan alkali 5% selama 0,

2, 4, 6, 8 jam yang dilanjutkan dengan pencucian dan penetralan alkali dengan asam asetat, serta pengeringan pada temperatur kamar selama 48 jam dan dioven pada suhu 100 0 C

selama 6 jam. Reduksi berat serat terjadi selama perendaman NaOH hingga 2 jam, setelah itu berat serat relatif konstan. Perkembangan kristalinitas serat jute meningkatkan modulus

elastisitasnya sebesar 12%, 68%, dan 79% setelah perlakuan alkali selama 4, 6, 8 jam.

Bahan Matriks

Plastik, serat, film, dan sebagainya yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari- hari, mempunyai berat molekul di atas 10.000. Bahan dengan berat molekul yang besar itu disebut polimer, mempunyai sifat-sifat dan struktur yang rumit, disebabkan oleh jumlah atom pembentuk yang jauh lebih besar dibandingkan dengan senyawa yang berat atomnya rendah. Matrik yang digunakan dalam komposit adalah harus mampu meneruskan beban sehingga serat harus bisa melekat pada matrik dan kompatibel antara serat dan matrik artinya tidak ada reaksi yang mengganggu.

Serat

Serat atau fiber dalam bahan komposit berperan sebagai bagian utama yang menahan beban, sehingga besar kecilnya kekuatan bahan komposit sangat tergantung dari kekuatan serat pembentuknya. Semakin kecil bahan (diameter serat mendekati ukuran kristal) maka semakin kuat bahan tersebut, karena minimnya cacat pada material.

Tabel 1 Beberapa sifat-sifat serat baik natural fibre maupun sintetis fibre [3]

Jenis/Sifat

Berat Jenis

Kapas 3 1,54 gr/cm Wol

1,32 gr/cm 3

Rayon 3 1,50 – 1,52 gr/cm Kevlar 3 1,44 gr/cm

Sutra

1,33 – 1,45 gr/cm 3

Vinilon 3 1,26 – 1.30 gr/cm Gelas (Jenis E) 3 2,54 gr/cm Nilon 66 3 300 - 502 gr/cm

Bahan Tambahan

Bahan tambahan utama adalah katalis (hardener ). Katalis berfungsi memulai dan mempersingkat reaksi curing (mengerasnya cairan resin). Semakin banyak katalis reaksi curing akan semakin cepat, tetapi kelebihan katalis juga akan menimbulkan panas pada saat curing dan bisa merusak produk yang dibuat, yaitu menjadikan bahan komposit getas/rapuh. Oleh karena itu pemberian katalis dibatasi kira-kira 1%-2% dari berat resin.

66 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 64-75

Perlakuan Alkali (NaOH)

Sifat alami serat adalah hyrophilic, yaitu suka terhadap air berbeda dari polimer yang hidrophilic. Pengaruh perlakuan alkali terhadap sifat permukaan serat alam selulosa telah diteliti dimana kandungan optimum air mampu direduksi sehingga sifat alami hidropholic serat dapat memberikan ikatan interfecial dengan matrik secra optimal (Bismarck et al. 2002).

Salah satu indikator yang digunakan untuk menunjukkan kebasaan adalah lakmus merah. Bila lakmus merah dimasukkan ke dalam larutan basa maka berubah menjadi biru.

Kekuatan Impact [4, 5]

(1) Dimana:

E serap = G x R (Cos b - Cos a)

G = Berat beban/pembentur (N) R

= Jari-jari putar ke titik berat pembentur (m)

E serap = Energi yang terserap (J)

E serap HI =

A Dimana:

HI 2 = harga impak (J/mm )

E serap = Energi yang terserap (J)

A 2 = Luas di bawah takik (mm )

Kekuatan Tarik

Besarnya nilai modulus elastisitas komposit yang juga merupakan perbandingan antara tegangan dan regangan pada daerah proporsional dapat dihitung dengan persamaan:

E= s/e (3) Dimana:

E = Modulus elastisitas tarik (MPa) s = Kekuatan tarik (MPa)

e = Regangan (mm/mm) Besarnya regangan adalah jumlah pertambahan panjang karena pembebanan

dibandingkan dengan panjang daerah ukur (gage length ). Nilai regangan ini adalah regangan proporsional yang didapat dari garis. Proporsional pada grafik tegangan-regangan hasil uji

tarik komposit. e=D L/L

(4) Dimana:

D L = pertambahan panjang (mm) L

= panjang daerah ukur (gage length), mm

Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto)

TUJUAN PENELITIAN DAN MANFAAT PENELITIAN Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini antara lain:

1. Mengetahui kekuatan tarik, dan kekuatan impact dari komposit serat rami dengan perlakuan alkali selama 2, 4, 6, dan 8 jam.

2. Meneliti jenis-jenis patahan yang dihasilkan dari pengujian tarik dan pengujian impact.

3. Sebagai acuan baru untuk mengembangkan bahan komposit yang lain.

4. Untuk mengetahui foto makro pada jenis/bentuk patahan dan melihat foto struktur mikro penampang bahan uji.

Manfaat Penelitian

Hasil penelitian ini diharapkan mampu memberikan inspirasi dan menjadi:

1. Acuan akan lahirnya penelitian berikutnya.

2. Untuk pengembangan ilmu pengetahuan dan industri.

3. Mengetahui sifat fisis dan mekanis.

METODOLOGI DAN PELAKSANAAN PENGUJIAN Diagram Alir

Survei lapangan dan studi pustaka

Tahap Persiapan

Serat Rami

Pembersihaan dengan air

Aq uades dan NaOH Perlakuan alkali dalam

w aktu 2, 4, 6, dan 8 jam Direndam dengan air serta

pengeringan

Post cure 60 o C selama 4 jam

polyester

Pembuatan spesimen komposit chopped strand mat

68 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 64-75

Pengujian tarik, impak, foto makro dan mikro

Pengambilan data dan pembahasan

Kesimpulan

Gambar 1. Diagram alir penelitian

Penyiapan Pembuatan Benda Uji

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Serat rami Tali tambang yang terbuat dari rami yang masih baru diurai satu per satu seratnya, kemudian diambil seratnya dengan cara menggunakan sisir, dicuci, dan dikeringkan.

Serat tersebut lalu dipotong 60 mm kemudian serat tersebut direndam dalam NaOH selama 2, 4, 6, dan 8 jam.

2. Polyester Terdiri dari dua jenis resin (1kg) dan katalis (200ml). Matrik yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis polyester yaitu polyester 108 yang berwarna bening dan katalis yang digunakan adalah MEKPO (metil etil keton peroksida).

3. NaOH NaOH digunakan untuk menghilangkan lignin pada serat dengan kadar 5% NaOH.

4. Timbangan digital, untuk menimbang serat serabut rami dan resin polyester digunakan timbangan digital mini seri M200 (max 200gr).

5. Cetakan benda uji cetakan yang digunakan terbuat dari kaca dengan ketebalan 4mm.

6. Alat bantu lain berupa gelas ukur, penggaris, cutter, kit mobil, lem castol, sendok, pisau.

Pengujian Spesimen

Pengujian spesimen yang dilakukan meliputi uji tarik (ASTM D 638 – 03) dan uji impact (ASTM D 256 - 03) [6], pengamatan struktur makro patahan setelah uji tarik dan pengamatan struktur mikro pada patahan uji impact.

Pengujian Komposit

Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini antara lain pengujian tarik, pengujian impak, dan foto makro patahan, dan struktur mikro.

Pengujian Tarik

Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui besarnya kekuatan tarik dari bahan komposit. Pengujian dilakukan dengan mesin uji “Universal Testing Machine”. Spesimen pengujian tarik dibentuk menurut standar ASTM D 638-03 yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto) Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto)

R=76mm

Z = 165mm

Gambar 2. Dimensi benda pengujian tarik ASTM D 638 – 03 [6]

Pengujian Impact

Untuk mengetahui ketahanan benda terhadap keadaan patah, maka digunakan metode pengujian impact charphy. Batang uji charphy mempunyai luas penampang lintang bujur

sangkar (10 x 10) dengan takikan berbentuk V-45 0 dengan kedalaman takik 2 mm.

Takik Charphy –V (pandangan atas)

Gambar 3. Dimensi spesimen pengujian impact ASTM D 256 – 03 [6]

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pengujian Tarik

Pengujian tarik dilakukan dengan membuat spesimen yang disesuaikan dengan standar pengujian tarik ASTM 638-03.

Tabel 2. Data dimensi spesimen untuk pengujian tarik serat rami

Panjang Awal Luas Komposit

Perlakuan alkali 2 13 6 60 780 selama 2 jam 3 13 6 60 780

1 13 6 60 780 Perlakuan alkali 2 13 6 60 780 selama 4 jam 3 13 6 60 780

70 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 64-75

1 13 6 60 780 Perlakuan alkali 2 13 6 60 780 selama 6 jam 3 13 6 60 780

1 13 6 60 780 Perlakuan alkali 2 13 6 60 780 selama 8 jam 3 13 6 60 780

Tabel 3 Hasil pengujian tarik komposit serat rami tanpa perlakuan alkali

Kekuatan Modulus Kekuatan Jenis Modulus No

Tarik( s )

Tarik Rata-

Regangan

Elastisitas

Komposit Elastisitas Spesimen

Rata (Mpa)

(Mpa) (Mpa)

Tabel 4 Hasil pengujian tarik komposit serat rami

Kekuatan Modulus Kekuatan No Modulus

Jenis Komposit Elastisitas

Tarik ( s ) Tarik Rata-

Regangan

Elastisitas Spesimen

Rata (Mpa)

(Mpa) (Mpa)

1 24.56 0.90 27.29 Perlakuan alkali 2 34.53 33.1 0.70 49.05 2743.15 selama 2 jam

1795.1 Perlakuan alkali

1342.4 1653.63 selama 4 jam

1666.7 Perlakuan alkali

1351.4 1707.23 selama 6 jam

1878.8 Perlakuan alkali

1992.9 2006.38 selama 8 jam

Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto)

Histogram Hubungan Antara Kekuatan Tarik Rata- rata Dengan Waktu Perlakuan Alkali

rata (Mpa)

Kekuatan Tarik Rata-

0 tanpa perlakuan

Lama Perlakuan Alkali

alkali

Gambar 4 Histogram hubungan antara kekuatan tarik rata-rata dengan waktu perlakuan alkali

Histogram Hubungan Modulus Elastisitas Rata-rata Dengan Waktu Perlakuan Alkali

1653.63 1707.23 2006.38 Rata-rata (Mpa) 1500

Modulus Elastisitas

0 tanpa perlakuan

Lama Perlakuan Alkali

alkali

Gambar 5 Histogram hubungan antara modulus elastisitas rata-rata dengan eaktu perlakuan alkali Dari data-data yang telah diperoleh tersebut komposit dengan serat rami dengan perlakuan

alkali selama 2, 4, 6, dan 8 mempunyai kekuatan tarik rata-rata masing-masing, yaitu 33.01 Mpa, 34.1 Mpa, 39.41 Mpa, dan 41.9 Mpa. Dan serat tanpa perlakuan alkali mempunyai kekuatan tarik rata-rata sebesar 25.87 Mpa. Jadi dapat disimpulkan bahwa kekuatan tarik untuk komposit serat rami dengan perlakuan alkali 8 jam lebih tinggi dibandingkan dengan komposit serat rami tanpa perlakuan alkali. Hal ini disebabkan karena serat yang sudah dialkali akan mengembang oleh alkali dan kekuatan tidak menurun yang mempengaruhi kekuatan tarik, dan juga ikatan serat dan matrik semakin kuat.

Pada data pengujian tarik komposit serat rami menunjukkan bahwa komposit dengan perlakuan alkali dalam waktu 2 jam mempunyai modulus elasitisitas rata-rata paling tinggi, yaitu sebesar 2743.15 MPa, dan terkecil pada komposit dengan perlakuan alkali selama 4 jam, yaitu sebesar 1653.63 MPa. Agar material penguat menanggung sebagian besar beban, penguat harus memiliki modulus elastisitas yang lebih tinggi dari pada matriknya (Lawrence

H Van Vlack).

72 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 64-75

Pengujian Impact

Untuk spesimen komposit untuk masing-masing spesimen komposit yaitu serat serabut kelapa dengan panjang 60 mm dengan perlakuan alkali selama 2, 4, 6, dan 8 jam mengacu pada standar ASTM D256-03.

Tabel 5 Data dimensi spesimen uji impact komposit serat rami

Tinggi Bawah Jenis Penampang No Lebar

Kedalaman

Tebal

Komposit Bawah Takik

Takik

Takik

( mm 2 ) Perlakuan

Spesimen (mm)

1 9.8 10 2 8 78.4 alkali selama

2 10 10 2 8 80 2 jam

3 9.8 10 2 8 78.4 Perlakuan

1 9.8 10 2 8 78.4 alkali selama

2 10 10 2 8 80 4 jam

3 9.9 10 2 8 79.2 Perlakuan

1 10 10 2 8 80 alkali selama

2 10 10 2 8 80 6 jam

3 9.9 10 2 8 79.2 Perlakuan

1 10 10 2 8 80 alkali selama

2 10 10 2 8 80 8 jam

Tabel 6 Data hasil pengujian impact komposit serat rami tanpa perlakuan alkali

Jenis Harga Impak No

Energi yang

Rata-Rata Komposit

Friksi

Harga Impak

(J/mm 2 )

(J/mm 2 ) Panjang

Tabel 7 Data hasil pengujian impact komposit serat rami

Jenis Harga Impak No

Energi yang

Rata-Rata Komposit

Friksi

Harga Impak

(J/mm 2 )

(J/mm 2 ) Perlakuan alkali

3 2.5 78.4 6 0.0629 Perlakuan alkali

1 2.5 78.4 5 0.0755 selama

2 2.5 80 5 0.0629 0.0725 4 jam

3 2.5 79.2 6.3 0.0792 Perlakuan alkali

1 2.5 80 5.5 0.0692 selama

2 2.5 80 5.4 0.0692 0.0671 6 jam

3 2.5 79.2 5 0.0629 Perlakuan alkali

1 2.5 80 6 0.0629 selama

2 2.5 80 5.7 0.0717 0.0671 8 jam

3 2.5 78.4 5.3 0.0667 Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto)

Histogram Hubungan Antara Kekuatan Impact Rata- rata Dengan Waktu Perlakuan Alkali

0.4 rata (Mpa)

0.2 Kekuatan Impact Rata-

0 tanpa perlakuan

Lama Perlakuan Alkali

Gambar 6 Histogram hubungan kekuatan impact rata-rata komposit serat rami terhadap waktu perlakuan alkali

Untuk hasil pengujian impact, perbedaan antara harga impact rata-rata dari komposit disebabkan oleh beberapa hal. Antara lain disebabkan karena kekuatan komposit yang kurang merata dan distribusi serat yang kurang merata sehingga energi yang diserap menjadi lebih kecil. Sedangkan patahan yang terjadi adalah patahan getas.

Harga impact rata-rata yang tertinggi adalah komposit serat rami tanpa perlakuan alkali yaitu sebesar 0.0877 J/mm 2 sedangkan yang terendah adalah komposit serat rami dengan

perlakuan alkali selama 6 dan 8 jam yaitu mempunyai harga impact rata-rata sebesar 0.0671

2 J/mm 2 dan 0.0671 J/mm .

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

Dari hasil penelitian dan analisis pengujian serta pembahasan data yang diperoleh, dapat disimpulkan:

1. Kekuatan tarik rata-rata tertinggi adalah komposit dengan perlakuan alkali 8 jam yaitu sebesar 41.9 Mpa.

2. Modulus elastisitas rata-rata tertinggi adalah pada komposit dengan perlakuan alkali 2 jam yaitu sebesar 2743.15 Mpa.

3. Besarnya kekuatan impact rata-rata tertinggi adalah pada komposit dengan perlakuan alkali 4 jam yaitu sebesar 0.0725 J/mm 2 .

Saran

Dari hasil proses percetakan ada beberapa hal yang perlu diperhatikan, diantaranya:

1. Proses penekanan yang dilakukan terhadap komposit seharusnya menggunakan alat yang lebih baik sehingga dapat diperoleh penekanan yang lebih maksimal.

2. Meminimalkan keberadaan rongga udara ( void ) pada komposit yang akan dibuat sehingga akan menaikkan kemampuannya.

3. Dalam melakukan pembuatan benda uji hendaknya memakai alat pengaman, karena bahan benda uji merupakan bahan kimia.

4. Pada proses penuangan matrik kedalam serat harus merata agar serat benar-benar terbungkus oleh matrik, sehingga dapat meminimalkan terjadinya void.

74 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 64-75

5. Dalam melakukan pengujian hendaknya dilakukan sendiri agar kita mengetahui proses pengujian tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

[1] ASTM. 1990. Standart and Literature References for Composite Materials, 2d ed., Philadelphia. PA: American Society for Testing and Materials.

[2] Van Vlack. 1992. Ilmu dan Teknologi Bahan, Edisi ke-5. Jakarta: Erlangga. [3] Surdia, T. dan S. Saito. 1999. Pengetahuan Bahan Teknik, Cetakan ke-4. Jakarta:

Pradnya Paramita. [4] Dieter, George E.; Djaprie, Sriati. 1993. Metalurgi Mekanik, Edisi ke-3. Jakarta:

Erlangga. [5] Groenendijk, J. Van der Line, Ir. Sobandi Sacrhri. 1996. Pengujian Materil. Jakarta:

Binacipta. [6] __________. 1958. ASM Hand Book Comitte Metallography and Microstructures.

American Society for Metal.

Analisis Sifat Tarik dan Impak Komposit...(Pramuko Ilmu Purboputro dan Agus Hariyanto)

KAJI NUMERIK PENCEGAHAN PERTUMBUHAN RETAK DENGAN MENGGUNAKAN METODE MODIFIKASI BENTUK STOP-DRILLED HOLE (SDH)

Yudi Dwianda, Hendery Dahlan, Meifal Rusli

Jurusan Teknik Mesin, Universitas Andalas Kampus Limau Manis, Padang, Sumatera Barat

Email: henderydahlan@ft.unand.ac.id

ABSTRAK

Salah satu mekanisme kegagalan yang utama dalam aplikasi teknik atau komponen mesin adalah penjalaran retak kelelahan. Penjalaran retak ini biasanya dimulai dari titik-titik pada daerah yang mengalami konsentrasi tegangan yang tinggi. Oleh karena itu salah satu metode untuk menghambat penjalaran retak adalah mereduksi konsentrasi tegangan dimana salah satu metode yang digunakan adalah pemberian

lubang di ujung retak atau dikenal dengan stop-drilled hole (SDH). Pada penelitian ini akan dikembangkan modifikasi bentuk model SDH. Pada dasarnya model yang dikembangkan ini adalah mengubah bentuk pada sisi lubang agar tidak berbentuk lengkungan sehingga konsentrasi tegangan menurun di daerah tersebut. Pemodelan lubang yang dikembangkan pada penelitan ini adalah penggabungan dua lubang dan tiga lubang pada ujung retak. Pada penelitian ini akan dilakukan penghitungan faktor konsentrasi tegangan untuk variasi jari-jari lubang yang diberikan. Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa pemberian dua lubang dan tiga lubang pada ujung cetak tersebut dapat mereduksi faktor konsentrasi tegangan dengan signifikan, nilai faktor konsentrasi tegangan antara dua lubang dan tiga lubang tidak berbeda signifikan terutama dengan meningkatnya nilai jari-jari lubang. Sementara itu, faktor konsentrasi tegangan tetinggi terjadi pada daerah perubahan geometri pada lubang untuk pemberian dua atau tiga lubang, akan tetapi faktor konsentrasi tegangannya masih cukup rendah jika dibandingkan dengan pemberian satu lubang.

Kata Kunci: Konsentrasi tegangan, penjalaran retak, stop-drilled hole (SDH)

ABSTRACT

One of the major failure mechanisms in engineering applications or machine components is the propagation of fatigue cracking. The spreading of these cracks usually are started from the points on the regions that are experiencing high stress concentrations. Therefore, one of the method to inhibit this crack propagation is reducing the stress concentration in which one of the used methods is the provision of a hole at the end of a crack or known as a stop-drilled hole (SDH). In this research will be developed a modification form of SDH model. Basically the developed model is changing the shape on the hole side so there are not forming of the curve so that the stress concentration decreases in this area. The developed hole model in this research is the binding of two holes and three holes at the crack tip. This research will be calculated the stress concentration factor for variation of given hole radius. From the research that has been done, it can be concluded that the two holes and three holes on

76 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 76-82 76 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 76-82

significantly different, especially with the increment of the hole radius. Meanwhile, the high stress concentration factor occured in the geometrical change area of the hole for two or three holes, but the stress concentration factor is still quite low when compared to the one hole.

Keywords: Stress Concentration, Crack Propagation, Stop-Drilled Hole (SDH)

PENDAHULUAN

Salah satu mekanisme kegagalan yang utama dalam aplikasi teknik atau komponen mesin adalah penjalaran retak kelelahan. Penjalaran retak ini biasanya dimulai dari titik- titik pada daerah yang mengalami tegangan terkonsentrasi. Konsentrasi tegangan yang lebih

tinggi dari nilai kritis materialnya menyebabkan retak terus tumbuh sehingga menyebabkan kegagalan pada komponen mesin. Oleh karena itu, diperlukan suatu metode yang efektif untuk menahan pertumbuhan retak sebelum kegagalan terjadi pada komponen mesin.

Sejumlah penelitian telah dilakukan untuk menahan penjalaran retak kelalahan. Salah satu teknik yang paling populer adalah mengebor lubang di ujung retak untuk menghilangkan singularitas tegangan ujung retak. Metode ini disebut stop-drilled hole (SDH) [1]. Mekansime metode ini mengakibat pertumbuhan retak tertunda atau berhenti sampai retakan baru dimulai. Berberapa modifikasi metode SDH telah dilakukan dengan membuat lubang tambahan dimsekitar daerah ujung retak [2,3], lubang tambahan dengan memasukan pin di dalamnya [4] dan membuat double hole di ujung retak [5].

Pada penelitian ini akan dikembangkan metode SDH yang konsepnya hampir sama dengan double hole [5] tetapi dengan memodifikasi bentuk SDH. Metode ini bertujuan untuk mereduksi konsentrasi tegangan pada sisi lubang, sehingga retak tidak tumbuh dan menjalar.

TEORI DAN PEMODELAN

Jika sebuah spesimen pelat yang memliki panjang w dan tinggi 2H mempunyai celah (slit ) sepanjang a yang terletak sejauh H dari atas permukaan pelat mengalami pembebanan σ o , maka faktor konsentrasi tegangan (K t ) pada ujung celah (titik A) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut:

K t =σ max /σ o (1) Dimana σ max adalah tegangan maksimum pada titik A dan σ o adalah tegangan yang

diberikan pada spesimen pelat seperti diperlihatkan pada gambar 1. Konsentrasi tegangan yang sangat tinggi akan menyebabkan munculnya retak dan jika pembebanan terus dilanjutkan maka retak akan menjalar dan selanjutnya akan terjadi kegagalan (patah). Untuk mereduksi konsentrasi tegangan tersebut maka dilakukan pemberian lubang di ujung retak dengan jari-jari R seperti terlihat pada gambar 2.a. Diketahui bahwa hubungan antara konsentarsi tegangan dengan jari-jari lubang adalah semakin besar jari-jari lubang yang diberikan maka konsentrasi tegangan yang diberikan akan menurun, akan tetapi dengan terbatas lebar pelat (w), jika pemberian jari-jari lubang yang terlalu besar, maka akan menyebabkan lebar pelat yang tidak memliliki celah kecil sehingga akan menyebabkan pelat mudah untuk mengalami kegagalan (patah). Oleh karena itu dikembangkan model lubang yang telah dimodifikasi. Pada dasarnya model yang dikembangkan ini adalah untuk mereduksi konsentrasi tegangan pada sisi lubang (titik A). Oleh karena itu bentuk pada sisi

Kaji Numerik Pencegahan Pertumbuhan Retak ... (Yudi Dwianda, dkk) Kaji Numerik Pencegahan Pertumbuhan Retak ... (Yudi Dwianda, dkk)

Gambar 1. Spesimen pelat

(a) ( b) (c)

Gambar 2. Spesimen pelat model SDH: (a) Satu lubang, (b) Dua lubang, (c) Tiga lubang

Pada gambar 2 (b) dan (c) terlihat bahwa pada titik A bentuk lubang menjadi garis lurus dimana panjang atau jarak antara dua puncak lengkungan menjadi D 2 = 3R dan D 3 = 4R. Perubahan bentuk lubang tersebut akan menyebabkan konsentrasi tegangan pada daerah titik

A akan jauh berkurang senhingga retak tidak akan muncul pada daerah tersebut.

STUDI KASUS

Pada penelitian ini, sebuah model pelat yang digunakan mempunyai tinggi (2H)= 100 mm, lebar (w)= 50 mm, panjang celah (a) = 25 mm, tebal = 5 mm dan mengalami pembebanan (σ o ) sebesar 10 MPa. Sementara itu, besar celah yang dimodelkan adalah 0.01 mm dimana diujung celah (titik A) dibuat tumpul dengan bentuk setengan lingakaran. Pada penelitian ini, dilakukan perbandingan faktor konsentrasi tegangan (K t ) pada titik A untuk beberapa pemodelan pelat sebagai berikut:

Pelat yang tidak mempunyai lubang (hanya celah saja) seperti yang diperlihatkan pada gambar 1.

1. Pelat dengan satu lubang pada ujung retak seperti yang diperlihatkan pada gambar 2(a).

2. Pelat dengan dua lubang pada ujung retak seperti yang diperlihatkan pada gambar 2(b).

3. Pelat dengan tigs lubang pada ujung retak seperti yang diperlihatkan pada gambar 2(c).

4. Untuk pelat yang berlubang akan divariasikan besar jari-jari lubang (R), yaitu 1.25, 2.5,

78 Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 18 No. 2 Juli 2017: 76-82

3.75, 5.0, 6.25, dan 7.5 mm, sehingga variasi nilai D2 menjadi 3.75, 7.5, 11.25, 15.0,

18.75, dan 22.5 mm. Sementara itu variasi nilai D3 menjadi 5.0, 10.0, 15.0, 20.0, 25.0, dan 30.0 mm. Analisis yang dilakukan adalah kajian numerik dengan menggunakan paket program Finite Element MecWay 7. Pemodelan dengan program Finite Element dapat dilihat pada gambar 3.

(a) (b) (c)

Gambar 3. Pemodelan pelat dengan Finite Element : (a) Satu lubang, (b) Dua lubang, dan (c) Tiga lubang

(a) (b) (c)

Gambar 4. Daerah yang diamalisis dengan Finite Element: (a) Satu lubang, (b) Dua lubang, dan (c) Tiga lubang

Pada gambar 4 terlihat daerah yang akan dianalisis pada penelitian ini adalah hasil penghitungan faktor konsentrasi tegangan (K t ) pada garis A untuk ketiga pemodelan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada penelitian ini, faktor konsentrasi tegangan pada ujung retak tanpa lubang akan menjadi nilai referensi. Pengaruh jumlah lubang dengan variasi nilai jari-jari terhadap faktor konsentasi tegangan (K t ) pada daerah A diperlihatkan pada gambar 5. Pada gambar terlihat

bahwa terjadi penurunan nilai konsentrasi tegangan dengan memberikan lubang pada ujung celah. Jumlah lubang juga memberikan pengaruh terhadap penurunan konsentrasi tegangan,

Kaji Numerik Pencegahan Pertumbuhan Retak ... (Yudi Dwianda, dkk) Kaji Numerik Pencegahan Pertumbuhan Retak ... (Yudi Dwianda, dkk)

Gambar 5. Perbandingan faktor konsentrasi tegangan (K t ) terhadap variasi jari-jari untuk daerah A

daerah B

daerah B

daerah A

daerah A

daerah A

(a) (b) (c) Gambar 6. Daerah konsentrasai tegangan tertinggi (a) Satu lubang, (b) Dua lubang, dan (c) Tiga lubang